發酵液中1,3－丙二醇的分離精製方法
2023-05-02 03:55:41 2
專利名稱：發酵液中1,3－丙二醇的分離精製方法
技術領域：
本發明屬於生物工程和化學工程技術領域，涉及微生物發酵液分離技術，特別涉及從微生物發酵液中分離精製1，3-丙二醇的方法。
背景技術：
1，3-丙二醇(1，3-Propanediol，簡稱1，3-PD)是一種重要的化工原料，主要用於合成新型聚酯材料聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚氨酯和工程熱塑性塑料等，這些新型聚合物具有許多優良的特性，如良好的彈性、尺寸穩定性和染色性，抗紫外、臭氧和氮氧化合物的著色性，抗內應力、低水吸附、低靜電以及良好的生物降解性，優異的剛性、韌性和絕緣性等，所以在紡織、地毯行業以及工程塑料等領域有著廣泛的應用前景。微生物法生產1，3-丙二醇與化學合成法相比具有操作簡便、條件溫和、環境汙染小以及利用可再生資源等優點，因此得到世界眾多知名的化工企業和研究單位的高度重視，如美國的杜邦公司、Genencor生物技術公司和德國生物技術中心(GBF)等。但發酵液的分離精製工藝和成本是決定微生物法生產1，3-丙二醇在經濟上可否與化學法相競爭的關鍵因素，科研工作者一直在努力探索一條經濟可行的分離方法。
目前，從微生物發酵液中提取1，3-丙二醇的工藝已有一些公開專利技術，但都存在著缺陷。如DE863632397，US5008473的離心-膜過濾-萃取工藝，一方面，高速離心不僅能耗較高，而且分離能力有限，在發酵液中直接添加助濾劑/絮凝劑，有助於沉澱部分菌體、核酸和蛋白，但發酵液中的鹽不會結晶析出，在減壓蒸餾過程中仍會形成粘性物質；另一方面，膜過濾分離成本較高，分離能力較小，分離時間長，操作壓力較高，而且易出現膜汙染、膜堵塞等問題。而Baltycka等人(Biotechnology Progress，2000，1676-79)通過反應萃取分離1，3-丙二醇的方法，其步驟是在發酵液中加入醛，使1，3-丙二醇與醛縮合，脫去有機相中水後，用鄰二甲苯或甲苯或乙苯萃取，然後通過水解得到1，3-丙二醇。其反應萃取工藝需要進行多步操作，由此造成分離效率較低，操作工藝複雜，操作條件難控制等問題，使工業推廣有一定的難度。Malinowski等人的液-液萃取方法(Biotechnology Progress，1999，13(2)127-30)，目前距工業化還有一定距離，存在的問題是選擇萃取效率較高且專一性強的萃取劑較為困難。修志龍等人(CN1460671A)僅給出了發酵液預處理的方法，通過加入乙醇或甲醇、正丙醇、異丙醇、丙酮、丁酮試劑除去結晶沉渣，但此法除渣率低，回收率低。並且因乙醇或甲醇、正丙醇、異丙醇、丙酮、丁酮的沸點都比水的沸點低，使得在後期精餾過程中，這些試劑先於水而脫除，當脫水時，水中會有大量溶渣析出，使富含1，3-丙二醇的釜底物成粘稠狀，無法進行固液分離，繼續精餾，釜底將起泡沫使精餾無法進行，而且釜底物稍降溫便結塊，若連續操作，很易出現堵塞管線等問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種從微生物發酵液中分離精製1，3-丙二醇的方法，通過選用合適的試劑，使發酵液中的結晶沉渣得到有效分離，克服精餾後期釜液起泡、結塊、堵塞管線的問題，實現連續化操作，並儘可能降低分離成本，提高1，3-丙二醇的回收率。
本發明提供的一種從微生物發酵液中分離精製1，3-丙二醇的方法，所採用的技術方案是1)將帶菌的發酵液進行加溫、加壓滅菌處理；在0.1-0.5MPa、100-150℃的條件下加熱0.5-5h進行滅菌處理。
2)將步驟1)得到的發酵液按1∶0.1～1∶3的體積比加入稀釋劑(正戊醇或異戊醇、正丁醇、正己醇)，通過精餾的方法脫除全部水。精餾塔操作壓強為0.005-0.1MPa，當塔頂餾出液中無水析出時，精餾結束。
釜底物通過非均相物系分離方法，分離沉澱物，取清液；用上述的稀釋劑，其量為上述稀釋劑用量的5-100％，對沉澱物進行洗滌，取洗滌液；3)將步驟2)所得清液和洗滌液混合，按1∶0.005～1∶2的體積比加入丙三醇或1，4-丁二醇，通過精餾回收稀釋劑，並脫除比1，3-丙二醇沸點低的組份。精餾操作壓強為0.001-0.1Mpa；4)將步驟3)所得的釜液，在0.001-0.1MPa的操作壓強下，通過精餾脫除比1，3-丙二醇沸點高的組份，從塔頂得到1，3-丙二醇產品；5)將步驟4)所得的釜液，在30-200℃時，按1∶0.5～1∶10的體積比加入步驟2)所述的正戊醇或異戊醇、正丁醇、正己醇，然後通過非均相物系分離方法，分離沉澱物並洗滌，取清液與步驟3)所得清液混合。
本發明中的非均相物系分離方法係指吸濾、壓濾、離心過濾、重力沉降、離心沉降方法。
步驟3)和步驟4)的精餾操作可在同一塔內進行，也可用多塔連續分離工藝。
本分離精製方法所得1，3-丙二醇為無色或淡黃色粘稠液體，略有刺激氣味，純度為98-99.99％，1，3-丙二醇的回收率為95-100％。
本發明工藝路線簡單、成本低、回收率高、經濟可行。具體表現在(1)整個工藝路線主要由非均相物系分離(過濾或沉降等方法)和精餾兩單元操作組成，與高速離心、膜分離、萃取分離相比，工藝路線短、能耗低、無堵塞問題、易於操作。
(2)分離工藝中只引入醇類稀釋劑和丙三醇(或1，4-丁二醇)兩種試劑，而且通過精餾就能將這兩種試劑回收或循環使用，降低了分離成本。
(3)選用了合適的試劑。正戊醇或異戊醇、正丁醇、正己醇的加入，使發酵液中核酸、蛋白和部分鹽得以沉澱，與修志龍等人(CN1460671A)加入的乙醇或甲醇、正丙醇、異丙醇、丙酮、丁酮相比，本發明加入的試劑沸點都比水高，從而有效地提高了發酵液中沉渣的去除率，避免了後序精餾過程中釜底液析出沉渣、起泡、結塊、堵塞管線等問題。因正戊醇或異戊醇、正丁醇、正己醇不溶或部分溶於水，使它們的分離非常容易。丙三醇(或1，4-丁二醇)的加入，避免了1，3-丙二醇從精餾塔頂脫除後，析出的沉渣使釜液變得粘稠、結塊、堵塞管線等問題。
(4)本分離精製方法提高了1，3-丙二醇的收率。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明作進一步說明。
實施例1本發明實施例中所用發酵液是採用克雷伯氏桿菌(Klebsiella pneumoniae)批式流加丙三醇發酵生產1，3-丙二醇所得到的，每立方米此發酵液中含有1，3-丙二醇70kg。
克雷伯氏桿菌(K.pneumoniae)是購自中國普通微生物菌種保藏中心(CGMCC)，菌種保藏號1.1736。
分離精製過程如下(1)取滅菌後的發酵液4000g，向其中加入常溫的正戊醇1600g，在減壓下對其進行間歇精餾以脫除其中的水份，間歇精餾塔(稱之為脫水塔)的操作壓強為0.05MPa，回流比為1∶1。當餾出物量達到3200g時，精餾停止。
(2)當步驟(1)得到的釜液通過真空吸濾分離出365g的沉渣，得到2030g的清液。過濾過程為恆壓操作，過濾介質兩端的壓差為0.09MPa，過濾介質為濾紙。過濾結束後，再用160g的正戊醇對濾餅進行洗滌，以置換出濾餅中的1，3-丙二醇，洗液與清液混合，稱之為預處理液，重量為2190g，留待下步工序使用。
(3)步驟(2)得到的預處理液加入100g的丙三醇，並攪拌使其充分混合，然後將此混合液加入脫水塔塔釜，在0.05MPa的操作壓強、1∶1回流比下進行脫醇，當塔頂得到的富含正戊醇的餾份達到1620g時，脫醇停止。
(4)將步驟(3)中脫水塔的釜液再加入另一填料塔內(稱之為脫輕塔)進行精餾，以脫除比1，3-丙二醇沸點低的組份。脫輕塔的操作壓強為0.006MPa(真空度為0.09MPa)，回流比為6∶1。當塔頂溫度達到136℃時，脫輕組份精餾結束，將餾出物切換到成品瓶中，收集139～141℃餾份，即為1，3-丙二醇產品，其純度可達99.0％以上。
(5)將步驟(4)中脫輕塔的釜殘液加入1000g的正戊醇，然後採用步驟(2)中同樣的過濾方法除去其中的沉渣，所得清液可與步驟(2)所得預處理液混合，以循環使用丙三醇和回收其中的1，3-丙二醇，整個工藝1，3-丙二醇的回收率可達95％。
實施例2(1)取滅菌後的發酵液4000g，向其中加入常溫的正丁醇1600g，在減壓下對其進行間歇精餾以脫除其中的水份，操作條件同實施例1，當塔頂無水餾出時，精餾停止，此時塔頂餾出物量為4100g。
(2)將步驟(1)得到的釜液通過真空吸濾分離出580g的沉渣(濾渣較粘)，得到830g的清液。再用160g的正丁醇對濾餅進行洗滌。
(3)步驟(2)得到的預處理液加入100g的丙三醇，並攪拌使其充分混合，然後將此混合液加入脫水塔塔釜，操作條件同實施例1，當塔頂得到的富含正丁醇的餾份達到710g時，脫醇停止。
(4)將步驟(3)中脫水塔的釜液再加入另一填料塔內(稱之為脫輕塔)進行精餾，以脫除比1，3-丙二醇沸點低的組份。當塔頂溫度達到136℃時，脫輕組份精餾結束，將餾出物切換到成品瓶中，收集139～141℃餾份，即為1，3-丙二醇產品，其純度可達99.0％以上。
(5)將步驟(4)中脫輕塔的釜殘液加入1000g的正丁醇，其它同實施例1，整個工藝1，3-丙二醇的回收率可達95％。
實施例3將實施例1中的正戊醇換為正己醇，其它操作條件和步驟同實施例1，所得結果與實施例1相同。
對比實施例為便於對比，本工藝採用了與修志龍等人(CN1460671A)相同的發酵液、相同的分離過程進行了分離精製實驗，步驟如下(1)取350ml的發酵液在精餾塔中進行減壓精餾，真空度為0.088MPa，濃縮到60-80ml；(2)將釜液冷卻到室溫後，加140ml95％工業乙醇，攪拌15min後靜止5h，再在3000r/min離心10min，取上清液；(3)將沉澱物加70ml95％工業乙醇，攪拌15min後，在3000r/min離心10min，取上清液；(4)將前兩步所得上清液混合，在精餾塔中進行減壓精餾，真空度為0.088MPa，回收乙醇；(5)將步驟(4)的釜液進行減壓精餾，真空度為0.088MPa，當釜溫達到170℃時，釜液開始產生大量泡沫，無法控制，精餾停止。此塔頂溫度為152℃，無法收集160-185℃的餾份。另外，根據CN1460671A實驗，其收集的富含1，3-丙二醇餾份的沸程較寬，為160-185℃，因此其純度不可能達到99％。
權利要求
1.一種從微生物發酵液中分離精製1，3-丙二醇的方法，其步驟為1)將帶菌的發酵液進行加溫、加壓滅菌處理；2)將步驟1)得到的發酵液按1∶0.1～1∶3的體積比加入稀釋劑，稀釋劑為正戊醇或異戊醇、正丁醇、正己醇，通過精餾的方法脫除全部水，然後通過非均相物系分離方法，分離沉澱物，取清液；用上述的稀釋劑對沉澱物進行洗滌，取洗滌液；3)將步驟2)所得清液和洗滌液混合，按1∶0.005～1∶2的體積比加入丙三醇或1，4-丁二醇，通過精餾回收稀釋劑，並脫除比1，3-丙二醇沸點低的組份；4)將步驟3)所得的釜液通過精餾脫除比1，3-丙二醇沸點高的組份，從塔頂得到1，3-丙二醇產品；5)將步驟4)所得的釜液，在30～200℃時，按1∶0.5～1∶10的體積比加入正戊醇或異戊醇、正丁醇、正己醇，然後通過非均相物系分離方法，分離沉澱物並洗滌，取清液和洗滌液與步驟2)所得清液混合。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中的非均相物系分離方法是吸濾、壓濾、離心過濾、重力沉降、或離心沉降方法。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中的步驟3)和4)中的精餾操作壓強為0.001～0.1Mpa。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中的步驟3)和4)中的精餾操作為多塔連續分離工藝。
全文摘要
本發明涉及從微生物發酵液中分離精製1，3－丙二醇的方法。發酵液經滅菌、脫水後，加入正戊醇或異戊醇、正丁醇、正己醇，然後通過過濾或沉降等方法除去發酵液中的沉渣並洗滌，清液加入適量丙三醇或1，4－丁二醇後通過減壓或常壓精餾，回收正戊醇或異戊醇、正丁醇、正己醇，得到高純度的1，3－丙二醇，1，3－丙二醇的回收率大於95％。本發明優點是分離工藝簡單、技術成熟，分離成本低，額外引入的試劑少且易回收，發酵液中的結晶沉渣可被有效分離，克服了精餾時釜液起泡、結塊、堵塞管線等問題，可實現連續化操作。
文檔編號C12P7/02GK1880290SQ20051007678
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月15日 優先權日2005年6月15日
發明者張鵬, 劉海軍, 馬玉喜 申請人:中國石油天然氣股份有限公司